以O(shè)J系統(tǒng)和學(xué)科競(jìng)賽為核心的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)

劉勇 田凱 周曉琳 吳佳偉

摘? 要：通過(guò)分析各高校在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合北京化工大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)際，對(duì)九年來(lái)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的編程課程教學(xué)實(shí)踐和程序設(shè)計(jì)類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽的培養(yǎng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理研討。經(jīng)驗(yàn)表明，文章分析的以在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以學(xué)科競(jìng)賽為目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)模式有利于培養(yǎng)優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

關(guān)鍵詞：程序在線評(píng)測(cè)系統(tǒng);學(xué)科競(jìng)賽;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）06-0028-04

Abstract： Based on the analysis of the current Online Judge （OJ） system application of practical teaching in other universities， in this paper， we analyze the practical application of OJ system in Beijing University of Chemical Technology. In the last nine years， we widely used OJ system in teaching practice of programming courses and the training process of programming competition. Our experience shows that the practical teaching mode based on OJ system and programming competition is beneficial to cultivate excellent computer science and technology students.

Keywords： Online Judge System; programming competition; practice teaching

引言

近年來(lái)，全國(guó)高校對(duì)于大學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)越來(lái)越重視，而對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，提高自己的動(dòng)手編程能力也就是提高了實(shí)踐能力。程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程具有入門(mén)難，兩極分化嚴(yán)重、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于各大高校，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的競(jìng)賽具有參加人才難挑選，培養(yǎng)難度高等特點(diǎn)。

所以，如何滿足新時(shí)期教育發(fā)展的需求，如何提高實(shí)踐教學(xué)的成果，如何培養(yǎng)具有更高水平的程序設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽人才，是高校教師亟待解決的問(wèn)題。隨著我國(guó)教育信息化研究的不斷深入和進(jìn)程不斷加快，各大高校紛紛將現(xiàn)有的教育技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)中。為此，作者將北京化工大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中，對(duì)所收集的大量實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理統(tǒng)計(jì)和分析得出，使用新的基于在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的教學(xué)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)校和學(xué)生參加計(jì)算機(jī)類(lèi)相關(guān)競(jìng)賽的積極性并獲得優(yōu)異的成績(jī)。

一、在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在線測(cè)評(píng)（Online Judge， OJ）系統(tǒng)，起源于ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽（ACM International Collegiate Programming Contest， ACM ICPC）[1]。經(jīng)過(guò)ACM競(jìng)賽30多年的發(fā)展[4]，各大高校紛紛開(kāi)發(fā)了屬于自己的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)。其中國(guó)內(nèi)著名的OJ系統(tǒng)包括：北京大學(xué)的POJ，該網(wǎng)站有強(qiáng)大的軟硬件系統(tǒng)，每天代碼提交次數(shù)高達(dá)3000次;浙江大學(xué)的ZOJ，浙江大學(xué)通過(guò)ZOJ舉辦浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)能力考試（PAT），PAT的成績(jī)可以作為多家企業(yè)招聘和研究生復(fù)試的機(jī)試成績(jī)。此外杭州電子科技大學(xué)的HDOJ、電子科技大學(xué)的UESTC OJ和華中科技大學(xué)的HustOJ都在程序競(jìng)賽領(lǐng)域有較高的知名度。國(guó)外知名的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)有西班牙Valladolid大學(xué)的OJ（UVA）、俄羅斯Ural立大學(xué)Online Judge（URAL）、Codeforces和atcoder等。近年來(lái)各大公司也使用一些針對(duì)求職面試的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，比如國(guó)內(nèi)知名的?？途W(wǎng)和計(jì)蒜客等。這些評(píng)測(cè)系統(tǒng)，不僅廣泛應(yīng)用于教學(xué)、對(duì)學(xué)科競(jìng)賽人員的培訓(xùn)和求職面試中，還對(duì)外開(kāi)放注冊(cè)，為其他程序愛(ài)好者們提供題庫(kù)和代碼評(píng)測(cè)服務(wù)。

二、基于在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)

目前，在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在各大高校計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和競(jìng)賽的培養(yǎng)中。

在教學(xué)方面，各大高校將該系統(tǒng)直接應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2]。任課教師根據(jù)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和具體要求[3]，合理布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，新增題目或者從題庫(kù)中選擇合適的題目供學(xué)生上機(jī)練習(xí)。學(xué)生在編寫(xiě)、調(diào)試完程序后，將程序提交給評(píng)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行判斷。評(píng)測(cè)系統(tǒng)會(huì)在后臺(tái)進(jìn)行編譯，并結(jié)合測(cè)試輸入樣例得出運(yùn)行結(jié)果，與測(cè)試輸出樣例進(jìn)行比對(duì)，給出評(píng)判結(jié)果。教師可以通過(guò)系統(tǒng)在網(wǎng)上抽查學(xué)生作業(yè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題給出指導(dǎo)，該系統(tǒng)的使用大大減輕教師的工作壓力。學(xué)生課后可以繼續(xù)登錄系統(tǒng)，完成未完成的實(shí)驗(yàn)，保證了教學(xué)的連續(xù)性在一定程度上，提高了教學(xué)質(zhì)量。

在課程范圍方面，該系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在C/C++ 語(yǔ)言、Java語(yǔ)言、Python語(yǔ)言的教學(xué)上，對(duì)這幾門(mén)語(yǔ)言的教學(xué)質(zhì)量有很大提高。而對(duì)于其他計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的課程，例如編譯原理、算法分析和設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)庫(kù)原理等涉及較少[4]。在計(jì)算機(jī)類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽的培養(yǎng)中，各大高校使用在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)選拔參加學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生，進(jìn)行模擬比賽，提高競(jìng)技水平。

三、本校實(shí)例

（一）北京化工大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)

我?；陂_(kāi)源的HustOJ系統(tǒng)部署了北京化工大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)（Online Judge system of BUCT），主要用于我校程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的實(shí)踐教學(xué)、校內(nèi)周賽、月賽、“藍(lán)橋杯”軟件大賽的選拔和集訓(xùn)以及參加ACM競(jìng)賽的隊(duì)員集訓(xùn)[5]。

北京化工大學(xué)在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)（BUCT OJ）使用php語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL，采用B/S架構(gòu)，主要系統(tǒng)模塊包括系統(tǒng)維護(hù)和管理、題庫(kù)管理、實(shí)時(shí)狀態(tài)、排名、競(jìng)賽和作業(yè)、ACM競(jìng)賽專(zhuān)區(qū)、討論版。校內(nèi)訪問(wèn)網(wǎng)址為www.buctcoder.com，校外網(wǎng)址為http：//39.106.31.26/，系統(tǒng)主界面為圖1。

經(jīng)過(guò)多年不斷的豐富和完善，BUCT OJ已經(jīng)積累了近5000道編程題目，題目類(lèi)型涵蓋了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)與分析、C/C++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、Java語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、ACM/ICPC 程序設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐[6]等幾門(mén)課程的主要知識(shí)點(diǎn);題目難度覆蓋面也很廣，有適合剛?cè)腴T(mén)新手的題目，有適合入門(mén)以后需要多加練習(xí)的題目，有適合選拔學(xué)生競(jìng)賽的題目，有適合參加學(xué)科競(jìng)賽學(xué)生訓(xùn)練的題目等多種類(lèi)型題目。

BUCT OJ系統(tǒng)已經(jīng)有超過(guò)70萬(wàn)份代碼的提交，這些數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們可以使用這些數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)踐水平進(jìn)行合理的分析，專(zhuān)業(yè)性的進(jìn)行培養(yǎng)。

（二）OJ系統(tǒng)在我校的應(yīng)用

OJ系統(tǒng)已經(jīng)在我校程序設(shè)計(jì)教學(xué)和學(xué)科競(jìng)賽中使用了九年時(shí)間，在使用過(guò)程中，我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積累方法，形成一整套基于在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的課程教學(xué)和學(xué)科競(jìng)賽培養(yǎng)方案。

1. 實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)教學(xué)

系統(tǒng)管理員在開(kāi)學(xué)初將學(xué)生的信息導(dǎo)入OJ中，根據(jù)學(xué)號(hào)生成相應(yīng)的賬號(hào)。任課教師可以通過(guò)評(píng)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示功能，查看學(xué)生做題情況，對(duì)學(xué)生做題過(guò)程中遇到的共性問(wèn)題給予針對(duì)性的講解和及時(shí)指導(dǎo)，對(duì)排名靠前的同學(xué)可以進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)為學(xué)科競(jìng)賽人員，對(duì)排名靠后的學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)輔導(dǎo)。為適應(yīng)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師可以根據(jù)學(xué)生的知識(shí)掌握情況，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)行題目的分級(jí)分類(lèi)，從而達(dá)到有效反饋、合理調(diào)控、提高課堂教學(xué)效果的目的。

2. 更好的教學(xué)效能

教師把例題和課后作業(yè)題目掛到在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)上，例題幫助學(xué)生進(jìn)行熟悉練習(xí)，課后作業(yè)設(shè)置好起止時(shí)間，學(xué)生通過(guò)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)按時(shí)間要求進(jìn)行作業(yè)提交，系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)計(jì)出每道題目的提交次數(shù)、提交通過(guò)的題目數(shù)量及所使用的編程語(yǔ)言，對(duì)本次作業(yè)的完成情況進(jìn)行排名，并可導(dǎo)出到Excel文件。教師可以方便地獲取到所有學(xué)生每道題目的做題情況，查看是否抄襲，記錄總結(jié)學(xué)生遇到的問(wèn)題，在課堂教學(xué)中進(jìn)行針對(duì)性講解。在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的使用，簡(jiǎn)化作業(yè)批改，使教師可以注重教育教學(xué)及自身素質(zhì)的提高，從而提高教學(xué)效能。學(xué)生提交作業(yè)后，系統(tǒng)會(huì)快速給出評(píng)判結(jié)果，及時(shí)得知作業(yè)完成情況，即可進(jìn)行后續(xù)修改與再次提交，與傳統(tǒng)收發(fā)作業(yè)的模式相比，這種方式科學(xué)運(yùn)用了生物心理學(xué)的規(guī)律，既縮短了反饋周期，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和學(xué)習(xí)熱情。

3. 公平客觀的考核評(píng)價(jià)機(jī)制

使用在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課考核，評(píng)判結(jié)果公正客觀。學(xué)生通過(guò)使用在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每次考核內(nèi)容的系統(tǒng)化管理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前課程學(xué)習(xí)的薄弱部分，主動(dòng)彌補(bǔ)。每次考核都會(huì)給出系統(tǒng)排名，可使學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)差距，從而能對(duì)自身提出更高要求，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

此外，將該系統(tǒng)直接用于學(xué)生程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程的考試上，傳統(tǒng)的試卷考試對(duì)于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程有很大的局限性，對(duì)老師的批改、學(xué)生的創(chuàng)新都有很大的影響。我們可以使用該系統(tǒng)，進(jìn)行上機(jī)考試，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的題目。這一方法更加公平公正。

4. 合理的激勵(lì)機(jī)制

評(píng)測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提交通過(guò)題目數(shù)量、提交通過(guò)比率給出總排名，從而鞭策落后的學(xué)生努力追趕，給名列前茅的學(xué)生一些自信，激勵(lì)他們繼續(xù)堅(jiān)持。將ACM競(jìng)賽機(jī)制引入實(shí)踐課教學(xué)中，每年定期開(kāi)展程序設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽，如新生賽、月賽、周賽、校賽、女生賽，以慶祝某個(gè)節(jié)假日為主題的節(jié)日賽等。通過(guò)以上不同形式的激勵(lì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，形成積極向上的學(xué)習(xí)氛圍，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高[7]。并且可以通過(guò)這些比賽選撥優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)入到ACM隊(duì)，為我校培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的競(jìng)賽型學(xué)生，為參加學(xué)科競(jìng)賽并獲得高水平獎(jiǎng)勵(lì)打下基礎(chǔ)。

5. 學(xué)科競(jìng)賽

學(xué)校的ACM隊(duì)的教師會(huì)對(duì)基于評(píng)測(cè)系統(tǒng)選拔出來(lái)的計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行集中教學(xué)和管理，教師同樣會(huì)錄入新的題目或從已往的題庫(kù)中選擇合適的題目用于隊(duì)員的平時(shí)訓(xùn)練，嚴(yán)格控制他們的時(shí)間，提高效率。定期舉行隊(duì)員之間的競(jìng)賽，或者是讓他們參與其他高校的比賽。制定并實(shí)行合理賞罰制度，幫助學(xué)校挑選最合適的學(xué)生去參加學(xué)科競(jìng)賽，提高學(xué)生水平，為學(xué)校獲得優(yōu)異的成績(jī)[8]。

四、數(shù)據(jù)分析

（一）“藍(lán)橋杯”軟件大賽獲獎(jiǎng)數(shù)據(jù)和代碼提交數(shù)

我校從第四屆（2013年）“藍(lán)橋杯”開(kāi)始參加軟件類(lèi)大賽，至今已經(jīng)參加了七屆，圖2對(duì)第四屆（2013年）到第十屆（2019年）我校參加“藍(lán)橋杯”軟件大賽的獲獎(jiǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖2可以看出我校在“藍(lán)橋杯”軟件大賽中獲獎(jiǎng)總數(shù)呈上升趨勢(shì)，圖中的水平線對(duì)應(yīng)的為某一項(xiàng)的平均值，平均獲獎(jiǎng)數(shù)為36，這證明我?；贠J的計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽培養(yǎng)有一定的成績(jī)。我校在“藍(lán)橋杯”軟件大賽省賽在獲獎(jiǎng)數(shù)量也呈上升趨勢(shì)由2013年的19項(xiàng)增加到2019年的47項(xiàng)?！八{(lán)橋杯”軟件大賽的規(guī)則是省賽一等獎(jiǎng)選手獲得直接進(jìn)入全國(guó)總決賽資格。我們可以看出我校在全國(guó)總決賽的獲獎(jiǎng)情況有波動(dòng)。與省賽相比， 我們會(huì)發(fā)現(xiàn)國(guó)賽的獲獎(jiǎng)受很多因素的影響，例如我校師生對(duì)藍(lán)橋杯的重視程度不如ACM/ICPC，沒(méi)有投入更多的精力;某一屆學(xué)生對(duì)編程的興趣感的強(qiáng)弱;某一屆學(xué)生生源地的影響（部分省份在中學(xué)時(shí)就會(huì)進(jìn)行編程教育）。

對(duì)我校在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)上2013至2019年的代碼提交數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)如圖3。經(jīng)過(guò)對(duì)比圖2和圖3，我們發(fā)現(xiàn)我校在“藍(lán)橋杯”軟件大賽中獲獎(jiǎng)數(shù)量和當(dāng)年學(xué)生在OJ系統(tǒng)上提交代碼的數(shù)量大致相符合，可能某一年會(huì)受到某位代課老師教學(xué)習(xí)慣（在教學(xué)中使用OJ多/少的情況），學(xué)校對(duì)于學(xué)生開(kāi)課內(nèi)容等原因的影響，會(huì)出現(xiàn)獲獎(jiǎng)的數(shù)量和當(dāng)年學(xué)生在OJ系統(tǒng)上提交代碼的數(shù)量不太相符的情況?？傮w來(lái)說(shuō)，可以看出，代碼提交的數(shù)量和獲獎(jiǎng)數(shù)量成正相關(guān)。代碼提交多的年份，獲獎(jiǎng)數(shù)量也越多。實(shí)踐證明，我們的OJ系統(tǒng)在教學(xué)中的使用更頻繁，學(xué)生使用OJ課下練習(xí)的次數(shù)也在增加，這樣有助于我們的學(xué)生提高編程動(dòng)手能力，增加他們對(duì)于編程的興趣，有助于我校培養(yǎng)高水平的計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

（二）獲獎(jiǎng)人數(shù)對(duì)應(yīng)生源地

圖4為我校在第四屆到第十屆（2013-2019）“藍(lán)橋杯”軟件大賽中獲獎(jiǎng)人數(shù)及其對(duì)應(yīng)省份的分布情況，其中餅圖所占面積越大表示我校在該省份生源中獲得“藍(lán)橋杯”軟件大賽獎(jiǎng)的數(shù)量越多。圖中每個(gè)省份后面的數(shù)字表示我校在該省份生源中的獲獎(jiǎng)人數(shù)。這其中受到我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生生源地的影響，在幾個(gè)獲獎(jiǎng)人數(shù)多的省份相對(duì)生源比較多。

從圖4可以看到，山東，河北，山西，河南，福建等省份的學(xué)生獲獎(jiǎng)人數(shù)獲獎(jiǎng)數(shù)量都比較多。我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于這幾個(gè)省份對(duì)于中學(xué)編程教育更加重視，基礎(chǔ)更好。建議學(xué)校在分配宿舍的時(shí)候可以根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行合理分配，以一帶多，相互促進(jìn)，共同提高，從而達(dá)到培養(yǎng)更多高水平計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)九年教學(xué)實(shí)踐證明，基于北京化工大學(xué)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐研究，取得了良好的教學(xué)成果，為我校培養(yǎng)了一批具備編程能力和參加競(jìng)賽的學(xué)生，并在各種計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽中獲得了優(yōu)秀的成績(jī)。但是不能過(guò)分依賴系統(tǒng)，教師的引導(dǎo)和監(jiān)督作用不可忽視。如果缺乏教師的引導(dǎo)和監(jiān)督，容易導(dǎo)致學(xué)生流于形式，影響學(xué)習(xí)。

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